基于FPGA與16XSZ-SYS的軸角編碼板設(shè)計(jì)

陜西長(zhǎng)嶺電子科技有限責(zé)任公司產(chǎn)品開發(fā)部　梁　猛

基于FPGA與16XSZ-SYS的軸角編碼板設(shè)計(jì)

陜西長(zhǎng)嶺電子科技有限責(zé)任公司產(chǎn)品開發(fā)部梁猛

在理論分析的基礎(chǔ)上從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)較為詳實(shí)的闡述了基于16XSZ-SYS與FPGA的軸角編碼的設(shè)計(jì)原理、方案和工程實(shí)現(xiàn)。方案的突出優(yōu)點(diǎn)方位分辨率高，定位精準(zhǔn)，借助計(jì)算機(jī)軟件簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)， 調(diào)試以及調(diào)整零位簡(jiǎn)單。稍微改動(dòng)相應(yīng)的軟、硬件在同一印制板上可以適應(yīng)不同天線伺服系統(tǒng)。

雙通道旋變發(fā)送機(jī) ，雙速轉(zhuǎn)換器， FPGA， 軸角編碼

1.引言

軸角編碼板主要完成雷達(dá)天線方位的實(shí)時(shí)精確測(cè)量和產(chǎn)生天線旋轉(zhuǎn)裝置內(nèi)永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)需求的兩組編碼信號(hào)（一組為增量信號(hào)用于檢測(cè)轉(zhuǎn)速、位置及旋轉(zhuǎn)方向；另一組用于檢測(cè)磁極位置，帶有絕對(duì)信息功能），是雷達(dá)天控系統(tǒng)中的重要組成部分。本方案采用雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器，用雙速轉(zhuǎn)換器進(jìn)行軸角-數(shù)字轉(zhuǎn)換，并送入FPGA進(jìn)行編程、處理，然后差分發(fā)送至相關(guān)組件。軸角編碼板的顯著特點(diǎn)是：6U板卡結(jié)構(gòu)、體積小、供電方便、調(diào)試方便；采用具有方位精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高的旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度敏感元件，適合在復(fù)雜的電磁環(huán)境使用；全數(shù)字、低功耗（總功耗小于5W）等。

2.編碼板的構(gòu)成及工作原理

2.1編碼板的構(gòu)成

編碼板通過線性DC/AC變換器給軸角轉(zhuǎn)換器及旋轉(zhuǎn)裝置內(nèi)雙通道旋變發(fā)送機(jī)提供激磁信號(hào)，軸角轉(zhuǎn)換器將粗精旋變信號(hào)轉(zhuǎn)換成16位自然二進(jìn)制碼方位信號(hào)通過電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成16位自然二進(jìn)制碼方位信號(hào)（3.3VTTL）輸入到FPGA，F(xiàn)PGA將16位方位信號(hào)通過編程產(chǎn)生兩組編碼信號(hào)連同方位信號(hào)一起輸出到差分發(fā)送芯片，差分發(fā)送芯片將兩組編碼信號(hào)變?yōu)椴罘中盘?hào)輸出到伺服模塊，將方位信號(hào)變?yōu)椴罘中盘?hào)輸出到上位機(jī)和控制模塊。

2.2旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度的檢測(cè)元件，隨著轉(zhuǎn)子角位置變化它的輸出電壓跟著變化，在天線伺服控制系統(tǒng)中用于測(cè)量位置信息，其基于電磁感應(yīng)原理而工作， 轉(zhuǎn)子、定子上皆有繞組， 相互同心， 彼此耦合， 采用正交的兩組繞組。旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有兩組繞組在空間上互成90°，正弦繞組、余弦繞組在轉(zhuǎn)子上，激磁繞組、交軸繞組在定子上。本方案采用的J134XFS001型雙通道旋變發(fā)送機(jī)由中電21所研制，要技術(shù)指標(biāo)：（1）激磁電壓：26V，激磁頻率：400Hz；（2）極對(duì)數(shù)：1:16；（3）電氣誤差：粗機(jī)≤±20′，精機(jī)≤±20″；（4）零位電壓：粗機(jī)32mv，精機(jī)7mv；（5）消耗功率：≤2W；（6）粗精機(jī)零位偏差：18′。

2.3雙速轉(zhuǎn)換器工作原理

雙速轉(zhuǎn)換器16XSZ-SYS是中船重工716所研制的一種小型化金屬封裝是單塊混合集成電路，由粗、精兩路旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、一個(gè)雙速處理器（用于粗、精組合、糾錯(cuò)的）及一個(gè)三態(tài)鎖存器等組成。該雙速轉(zhuǎn)換器輸出16位自然并行二進(jìn)制碼，轉(zhuǎn)換精度±15″。

雙通道旋變發(fā)送機(jī)信號(hào)送至雙速轉(zhuǎn)換器，粗機(jī)S1、S2、S3、S4正余弦信號(hào)輸入粗通道CS1、CS2、CS3、CS4經(jīng)RDC模塊轉(zhuǎn)換成14位數(shù)字角度量，精機(jī)S5、S6、S7、S8正余弦信號(hào)輸入精通道FS1、FS2、FS3、FS4經(jīng)另一個(gè)RDC模塊轉(zhuǎn)換成14位數(shù)字角度量，雙速處理器接收兩組數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行精、粗組合處理和硬件實(shí)時(shí)糾錯(cuò)后，輸出一個(gè)16位并行二進(jìn)制數(shù)字送到鎖存器，通過對(duì)/ENL、/ENM、/ENH（使能信號(hào)）的控制既能輸出一個(gè)16位數(shù)字的字，又可輸出三個(gè)字節(jié)。

速度電壓VEL是一個(gè)直流模擬信號(hào)和輸入軸角角速度成比例，極性與天線轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)，數(shù)碼增大時(shí)極性為正，反之為負(fù)；幅值跟輸入軸角成正比在±4V時(shí)跟蹤速率最高。

禁止信號(hào)/INH為輸入信號(hào)，內(nèi)部由上拉電阻接到+5V，當(dāng)/INH為低電平時(shí)， 經(jīng)150ns延遲，鎖存器內(nèi)部數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，可讀取數(shù)據(jù)；為高電平時(shí)鎖存器內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，禁止讀數(shù)。/INH只控制輸出數(shù)據(jù)鎖存器的輸入使能，因此不影響轉(zhuǎn)換器內(nèi)部工作。

忙信號(hào)BUSY是一個(gè)輸出信號(hào)，邏輯為“1”表示輸出數(shù)據(jù)正在變化，不能讀數(shù)；邏輯為“0”表示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，可以讀取數(shù)據(jù)。

BIT是線檢檢測(cè)信號(hào)，轉(zhuǎn)換器工作正常時(shí)輸出為高電平；當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換器工作異常、輸入信號(hào)、參考連接異常、不能跟蹤系統(tǒng)、或產(chǎn)生大的誤差等情況時(shí)，其輸出為低電平。

數(shù)據(jù)輸出端1～16為自然并行二進(jìn)制數(shù)字輸出，其最高位為1、最低位為16。

2.4FPGA功能及原理

本方案選用的FPGA（EP1C3T144）邏輯資源有2910LE、一個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)及13條M4K RAM。該芯片是ALTERA公司為底端用戶打造的一個(gè)系列的FPGA，它的優(yōu)點(diǎn)有成本低、使用方便。

FPGA的軟件編寫是Quartus7.2開發(fā)環(huán)境下完成的，將16位方位信號(hào)通過方位變換和方位計(jì)數(shù)2組編碼信號(hào)：一組U、V、W三相脈沖信號(hào)用于檢測(cè)磁極位置；另一組A、B、Z增量脈沖信號(hào)用于檢測(cè)速度、位置和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。并產(chǎn)生過零信號(hào)、定位信號(hào)。然后連同方位信號(hào)一起輸出到差分發(fā)送芯片。

增量信號(hào)中A、B信號(hào)是與位移增量等值的脈沖信號(hào)，脈沖數(shù)為16384/周，A、B之間相位相差90°（即正交輸出信號(hào)），根據(jù)A、B信號(hào)的超前與落后判斷出軸的旋轉(zhuǎn)方向。Z信號(hào)是標(biāo)志信號(hào)用作基準(zhǔn)點(diǎn)定位，其脈沖寬度為A、B信號(hào)的兩倍，旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生一個(gè)，用于對(duì)積累量清零、指示機(jī)械位置。

U、V、W信號(hào)兩兩之間相差120°，U信號(hào)領(lǐng)先V信號(hào)、V信號(hào)領(lǐng)先W信號(hào)，每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)量與旋轉(zhuǎn)裝置中永磁同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)對(duì)應(yīng)。電機(jī)磁極位置可以根據(jù)U、V、W三相脈沖的高低電平關(guān)系判斷。

定位信號(hào)：當(dāng)天線轉(zhuǎn)到固定角度位置，產(chǎn)生一個(gè)高電平，發(fā)給驅(qū)動(dòng)模塊用于鎖定天線，保證天線升降過程不碰撞升降口。

2.5外圍電路

電源部分，板子外部由CPCI插座外部提供+24V、+5V、+3.3V電源。用LINERA公司的電壓轉(zhuǎn)換芯片LT1764AEQ-1.5將+5V 轉(zhuǎn)到+1.5V為FPGA提供內(nèi)核電壓。

線性DC/AC變換器：將輸入的直流穩(wěn)壓24V轉(zhuǎn)換為交流26V400Hz電壓輸出，為雙速轉(zhuǎn)換器和雙通道旋變發(fā)送機(jī)提供激磁信號(hào)。本文選用由中船重工716所研制的J5-S24C26MA，具有輸入范圍寬、過載過熱保護(hù)、輸入輸出隔離、低諧波失真、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

電平轉(zhuǎn)換芯片SN74ALVC164245DL：將轉(zhuǎn)換器輸出的方位信號(hào)TTL電平轉(zhuǎn)換為3.3VTTL電平送入FPGA。

差分發(fā)送芯片根據(jù)需求選用MAXIM公司的MAX3042BEXE、MAX3030EEXE 兩種。MAX3042BEXE由5V供電將A、B、Z、U、V、W信號(hào)變?yōu)椴罘中盘?hào)送入驅(qū)動(dòng)模塊，MAX3030EEXE由3.3V供電將16位方位信號(hào)、到位信號(hào)、BUSY信號(hào)等變?yōu)椴罘中盘?hào)送入上位機(jī)及控制模塊。差分信號(hào)具有抗噪聲干擾的能力，可以提高信號(hào)傳輸?shù)木嚯x。

3.結(jié)束語

本軸角編碼板根據(jù)天線伺服系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了由雙速轉(zhuǎn)換器和旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成的測(cè)角、測(cè)速電路，并由FPGA編程產(chǎn)生伺服驅(qū)動(dòng)器所需信號(hào)。該板已在某雷達(dá)多個(gè)型號(hào)中得到成功應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、工作性能穩(wěn)定、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，可長(zhǎng)期工作于惡劣工況下，并能滿足很高的精度要求。

［1］EDA先鋒工作室.Altera FPGA/ CPLD 設(shè)計(jì)（基礎(chǔ)篇）［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［2］陳先鋒.伺服控制技術(shù)自學(xué)手冊(cè)［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［3］盧志剛，吳杰，吳潮.數(shù)字伺服控制系統(tǒng)與設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4］陳世琪，宋偉.雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器型軸角編碼組件的研制［J］.微特電機(jī)，2005，（02）：17-19.

［5］黃建國(guó)，陳曉.基于雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的智能編碼器設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2009，（11）70-76.

梁猛（1982－），男，高級(jí)工程師，安徽淮北人，電子科技大學(xué)電子工程本科畢業(yè)，從事雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)、雷達(dá)系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)。